宁波材料所：碳基Janus薄膜用于柔性传感器、软致动器等

成果简介

Janus薄膜因其不对称的结构和独特的物理和/或化学财产而受到广泛关注，在机械传感、软驱动、能量管理、高级分离、能量转换和存储等方面显示出广阔的发展潜力。其中，基于碳纳米材料的独特特性，广泛致力于开发碳基Janus薄膜，用于高性能电子皮肤、软致动器及其集成，用于智能机器人。从自然中汲取灵感，生物皮肤可以主动感知外部物理/化学刺激，并进一步执行特定的运动行为。然而，指导结构设计原则、多种功能的替代组合以及先进的协同应用仍然存在挑战。

具体来说，它们的内在属性和相关设备性能在很大程度上取决于功能部件的耦合、表面润湿性和界面结构的可控性。碳纳米材料和功能性聚合物以可控方式的不对称组合可以促进高性能传感、驱动和集成器件的设计，从而实现智能软机器人的发展。因此，我们非常希望对碳基Janus功能薄膜的传感、驱动和集成这一研究领域进行总结，并深入了解界面结构与性能之间的关系，以指导未来的发展。

本文，中国科学院宁波材料技术与工程研究所肖鹏副研究员、陈涛 研究员团队在《Acc. Mater. Res.》期刊发表名为“Carbon-Based Janus Films toward Flexible Sensors, Soft Actuators, and Beyond”的论文，研究总结了小组在碳基Janus薄膜方面的重要进展，并讨论相关的重要报告工作。

首先介绍了常用的碳纳米材料的基本特性，然后讨论了高性能碳基Janus薄膜的一般制备策略，包括固体支持的物理/化学方法和基于液体支持的界面策略。其中，我们仔细介绍了两种功能成分的典型组合，以获得先进和协同的特性。基于组合的可设计功能，将详细讨论针对传感器、致动器、自感应致动器等的生物启发人工皮肤。最后，将提出结构设计、结构接口和综合功能方面的挑战和前景。期望该研究能让人们更好地了解碳基Janus功能膜的设计、制造、应用和挑战，以及它们在智能机器人发展中的巨大潜力。

图文导读

图1.概述碳基Janus薄膜的先进制造策略和多样化应用。

图2.. 基于固体支持的对碳基Janus薄膜的物理策略。

图3.. 基于固体支持的碳基Janus薄膜的化学策略

图4. 具有不对称润湿性的碳基薄膜的LB组装。

图5. 碳基Janus薄膜的界面不对称改性

图6. 用于高性能电子皮肤的碳基Janus薄膜。

图7. 用于非接触传感的碳基Janus薄膜

图8. 用于光驱动包覆机器人的碳基Janus薄膜。

图9. 用于自感应软驱动系统的碳基Janus薄膜。

小结与展望

综上所述，本文总结了生物启发的碳基Janus薄膜在柔性传感器、软执行器及其集成装置等前沿领域的最新进展。在这个报告中，首先讨论了各种碳纳米材料的一般特性，然后介绍了通过固体支持的物理和化学方法制备碳基Janus薄膜的典型策略，并进一步强调了新开发的基于液体支持的大面积、超薄和均匀薄膜的界面工程技术。同时，还详细讨论了Janus薄膜的制备过程和内在特性之间的关系。然后，还展示了仿生电子表皮、软驱动和自感应驱动系统的先进应用。具体来说，我们主要关注基于空气/水界面策略的Janus薄膜在高性能表皮电子、非接触传感、光控执行器和自感仿生鱼鳔方面的应用。

尽管已经付出了巨大的努力，但仍然存在一些挑战。首先，对于碳纳米材料的生物毒性，仍然没有确切的答案。为了减少毒性的风险，用生物相容性的材料进行复合和封装设备预计将成为替代战略。通常情况下，需要一个强大的两相结构界面，以确保稳定的驱动行为和高度可靠和准确的感应反馈信号。替代方法包括构建有效的互锁界面，形成共价相互作用，以及物理和化学策略的结合。

此外，当暴露在恶劣的环境中时，碳基Janus薄膜应被积极赋予特定的功能，如自我修复、耐磨、耐高温和抗霜冻。同时，赋予碳基Janus薄膜以多功能，对于实现复杂的智能软体机器人系统具有重要意义。此外，一些合理的工程策略是非常可取的，以确保有效的功能协同，以及在多变的环境下以无错误的方式执行动作的能力。同时，在Janus薄膜上追求高性能设备（如高精度、位置识别传感器和可编程多级执行器）的良好控制模式，是非常可取的。最后，结合先进的原位印刷和卷对卷技术深入开发界面策略，有望成为实现新的传感和/或致动功能以及相关的软机器人技术的一个有前途的途径。

文献:

https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00213